液体粘性软启动传动装置的研究

第23卷第6期煤炭学报V ol.23 No.6

1998年 12月JOURNAL OF CH INA COAL SOCIETY Dec. 1998

液体粘性软启动传动装置的研究*

张以都 张启先

(北京航空航天大学)

摘要 介绍了液体粘性软启动传动装置的基本原理和结构;在考虑摩擦材料多孔性的条件

下,利用Navier Stokes 方程,建立了液体粘性制动器的压力分布及流量模型.因离心力的作用,摩擦片间隙具有一定的自吸能力,若供液不充分,油膜将会破裂,导致摩擦片直接接触,

使液体粘性制动器无法正常工作.在进、出油口压力一定时,摩擦片转速增大,油膜压力将有所降低.随着多孔材料渗透性的增加,油液的需求量也有所增加.

关键词 软启动 液体粘性传动 摩擦片 油膜

中图分类号 TH 132

1 液体粘性软启动传动装置概述

皮带输送机和刮板输送机的 软启动 是指输送机在重载工况下可控制地逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动.皮带输送机和刮板输送机的软启动不仅能够极为有效地减小启动时传动系统对输送皮带和牵引链的破坏性张力,消除输送机启动时产生的振荡,也能大幅度减轻传动系统本身所受到的启动冲击,延长皮带、牵引链、轴承、托辊等关键部件的使用寿命

,同时还能大大缩短电动机启动电流的冲击时间,减小对电动机的热冲击负荷及对电网的影响,从而节约电能并延长电动机的工作寿命.此外,通图1 液体粘性软启动传动装置Fig 1 Hydroviscous soft starting transmission 过使用 软启动 技术,在电动机的选型上将可以选用容量

较小的电动机,因而也能够减少不必要的设备投资.因此,

皮带输送机和刮板输送机的 软启动 技术已越来越受到管

理人员和技术人员的重视.

图1所示为一个由差动的两级2K -H 行星传动机构和粘

性制动器组成的液体粘性软启动传动装置[2].其中的液体粘

性制动器是这种传动装置的关键所在,它能够利用存在于制

动摩擦片之间油膜的粘性剪切力来实现负载的软启动、无级

变速、过载自动保护和多点驱动功率平衡.

如图所示,输入轴1的一端与电动机(未示出)相连,

另一端与第一级行星机构中的太阳轮8连接.第一级行星机

构中的内齿圈5是差动的.静摩擦片3和动摩擦片4通过花键分别与箱体和内齿圈5相连.油缸2用于控制静、动摩擦片3和4的离合.当软启动传动装置开始工作时,由于摩擦片3和4尚未接合,摩擦片4将随着内齿圈5差动空转,而与输送机连接的输出轴9则

收稿日期:1998-05-05

*博士后基金资助项目

保持静止状态.因此,电动机能够在无负载的工况下顺利地达到额定转速.之后,根据预先确定的输出轴9的加速度,通过油缸2的作用使摩擦片3和4逐渐接合.由于摩擦片3和4之间充有润滑油,因而在摩擦片之间会形成一层润滑油膜.油膜的粘性剪切力将使内齿圈5逐渐减速并最终制动,将来自电动机的动力逐渐施加到与输出轴9相连的输送机上,从而实现输送机的软启动.在合理设计的前提下,液体粘性制动器中的摩擦片往往可以免维护.

此外,液体粘性制动器同时还能起到安全保护的作用.当输出轴9上的负载大于规定值时,通过液压驱动装置可使液体粘性制动器分离,从而实现对机械传动系统的过载保护.当输送机采用多点驱动时,通过比较各个软启动传动装置上输出力矩的大小,并控制软启动传动装置中液体粘性制动器的离合,可使多台传动装置的输出功率基本达到平衡,从而能够解决因电机特性或减速器传动比不匹配所带来的一系列问题.

从液体粘性制动器的工作原理可以看出,与普通的两态多盘摩擦制动器不同,在工作中,液体粘性制动器并不对与其相连的运动构件进行快速制动,而是主要依靠液体粘性剪切阻力使运动构件按照预定的要求逐渐减速和制动.

2 液体粘性制动器的压力分布及流量模型

在液体粘性制动器中,由于摩擦片上的粉末冶金摩擦材料或纸基摩擦材料都是多孔材料,并且摩擦片的直径通常较大,所以在建立液体粘性制动模型时,应该同时考虑摩擦材料的渗透性以及离心力所产图2 液体粘性制动模型F ig 2 Hydro viscous braking model 生的影响.为了简化问题,在进行分析时作如下假设: 润

滑油在油膜区域中的流动是层流,并且是轴对称的; 流体

在多孔材料层中的流动服从Darcy 定理; 流体不可压缩,

且流体特性不变; 多孔层厚度均匀,并具有渗透性; 只

考虑离心力的影响; 不考虑摩擦片表面沟槽的影响.

图2是由一对静止摩擦片和运动摩擦片组成的液体粘性

制动模型.其中,静止摩擦片上附有多孔摩擦材料,运动摩

擦片的转动角速度为 .

根据上述假设,摩擦片之间流体的连续方程和Navier

Stokes 方程[3]可简化为

1r r (r u)+ w z =0,(1)

2u z 2=1 d p d r - v 2 r

.(2)

流体的切向速度为

v =1-z h 后基r .(3) 将式(3)代入式(2),对z 积分两次,并代入z =0和z =h 时的速度边界条件,可得到流体的径向流速计算公式为

u =z 2 (z -h)d p d r + r 2h 2-z +2z 23h -z 36h 2+u z h ,(4)

式中,u 为多孔材料区域与油膜区域的交界面处流体的径向流速.由于多孔摩擦材料中的流体服从Darcy 定理,这部分流体的径向流速可表示为

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u =- p r

.(5)

与油膜区域中的流体连续方程式(1)相似,多孔区域中的连续方程为1r r (r u)+ w z

=0.(6) 由于多孔摩擦材料厚度方向的尺寸通常较小,因此,可以假设流体的轴向速度在z 方向的变化率 w z =0.将式(5)代入式(6),并对r 进行积分,可得到p =c 1ln r =c 2.(7) 由摩擦片外径和内径处的压力边界条件:p (a)=p out 和p (b)=p i n ,从而能够得到多孔材料区域中流体的压力分布函数为

p =1ln (a b)(p in -p out )ln a r +p out ,

(8)式中,p i n 和p out 分别是流体的入口和出口压力.

将式(8)代入式(5),则可求出多孔材料区域中流体的径向流动速度为

u =

p in -p out r ln (a b).(9) 所以,油膜区域中流体的流动速度为

u =z 2 (z -h)d p d r

+ r 2h 2-z +2z 23h -z 36h 2 (+ p i n -p out h ln (a b)z r .(10)

对于油膜区域和多孔区域来说,流体的流量计算式应分别为Q =2 r

h 0u d z ,Q =2 r h+H h u d z .(11)

将式(10)和式(9)分别代入式(11)并积分,可得Q =- h 3r 6 d p d r + 2h 320

r 2+ h p in -p out ln (a b).(12)Q =2 H p in -p out ln (a b )

.(13)

图3 油膜压力Fig 3 Oil film pressure

将式(12)对r 进行积分,同时考虑r =b 时的压力边界条件,可得压力分布函数为p =

320 2r 2-b 2 -6 Q h

3ln r b +6 h 2p in -p out ln (a b)ln r b +p in .(14) 再将r =a 时的压力边界条件代入式(14),并经过简化

整理,则得到流量计算公式为Q = h 36 ln (a b )p in -p out 1+

6 h

!+320 2a 2-b 2为电止点.(15)

从式(14)中可以看出,油膜区域中压力p 的分布和大

小主要受两个因素的影响,它们分别是离心力的影响和流体静压的影响.如果不考虑流体的离心力( =0),并假设流

体为自由流体(p i n =p out =0),则在摩擦片之间无法建立油

膜压力,此时油膜的承载能力也将为零.所以,只有当所提

供的流体具有一定压力或摩擦片之间的滑差不为零时,在摩

擦片之间才能建立起具有一定压力的油膜.

图3是当摩擦片入口和出口压力p in =p out =0时,油膜660煤 炭 学 报

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